РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт математики, естественных наук и компьютерных технологий Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры Боме Н.А. КОНЦЕПЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКИХ БАНКОВ РАСТИТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для магистров направления 020400.68 Биология магистерской программы Биотехнология очной формы обучения Тюменский государственный университет 2011 Боме Н.А. Концепции генетических банков растительных ресурсов. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для магистров направления 020400.68 Биология, магистерской программы Биотехнология очной формы обучения. Тюмень, 2011, 15 с. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки. Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Концепции генетических банков растительных ресурсов [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru, свободный. Рекомендовано к электронному изданию кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Боме Н.А., зав. кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, доктор сельскохозяйственных наук, профессор. © Тюменский государственный университет, 2011. © Боме Н.А.., 2011. 1. Пояснительная записка 1.1. Цели и задачи дисциплины Цель преподавания дисциплины – ознакомление магистров с проблемами мобилизации и сохранения растительных ресурсов, основами создания генетических банков, технологиями длительного хранения биологического материала. Основная задача дисциплины – формирование у магистров представлений о необходимости изучения, расширения и сохранения генетических ресурсов растений, овладение знаниями об основах формирования и методологических аспектах сохранения генетических банков различных таксонов растений с учетом их биологических особенностей, с применением их на практике для решения конкретных вопросов в данной области. 1.2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры Дисциплина «Концепции генетических банков растительных ресурсов» предназначена для студентов 1 курса дневного отделения, обучающихся по направлению 020400.68. (Магистерская программа – Биология, степень Биотехнология). магистр Дисциплина биологии «Концепции генетических банков растительных ресурсов» относится к дисциплинам профессионального цикла базовой части (М.2). Дисциплина «Концепции генетических банков растительных ресурсов» связана с другими дисциплинами профессионального цикла – современные проблемы биологии, математического моделирование и естественнонаучного биологических процессов, цикла – математическое современные технологии изучения и сохраненения генетических ресурсов, методы анализа флор, региональная флористика, гербарное дело и создание базы данных, редкие и исчезающие растения и фундаментальными разделами общей биологии. Для успешного освоения дисциплины студент должен обладать знаниями основ морфологии и анатомии растений, систематики и физиологии растений, биотехнологии растений, селекции растений, статистической обработки экспериментальных данных, умениями составлять презентации, владеть навыками работы с персональным компьютером и в сети Internet, полученными в результате освоения предыдущих дисциплин. Усвоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для изучения дисциплин «Современные технологии изучения и сохранения генетических ресурсов», «Биотехнология в селекции растений», «Способы размножения растений in vitro», «Генетическая инженерия растений», «Происхождение и география культурных растений». 1.3. Компетенции выпускника ООП магистратуры, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО. В результате освоения ООП магистратуры выпускник должен обладать следующими компетенциями: - глубоко понимает и творчески использует в научной и производственно-технологической деятельности знания фундаментальных и прикладных разделов специальных дисциплин магистерской программы (ПК-10). После изучения дисциплины студенты должны: - знать: актуальные проблемы сохранения и мобилизации генетических ресурсов растений, научные центры и направления их работы, современные методы изучения растений в различных климатических условиях и методы их сохранения. - уметь: использовать полученные знания для решения задач прикладного характера, формировать коллекционные фонды, проводить комплексную оценку коллекционных образцов с использованием полевых и лабораторных методов, использовать технологии хранения растительного материала в контролируемых и неконтролируемых условиях, вести документацию, касающуюся регистрации образцов и их дальнейшего хранения. - владеть: навыками самостоятельной исследовательской работы, участия в исследовательских проектах, использования современных методов сбора, хранения, обработки и реализации информации, создания паспортной и оценочной базы данных, углубления профессиональных знаний с помощью новых информационных и образовательных технологий. 2. Структура и трудоемкость дисциплины Семестр 1. Форма промежуточной аттестации (зачет). Общая трудоемкость дисциплины составляет две зачетные единицы 72 часа. 3. Тематический план Таблица 1 Итого часов по теме Из них интерактивные формы занятий, час 2 Биологическое разнообразие растений и причины его утраты 3 1 4 2 5 - 6 2 7 4 8 - 2. Понятие о генетическом банке. Концепция Н.И. Вавилова о концепциях генетических банков. Ботанические сады – основа системы сохранения генетических ресурсов 2 2 - 2 4 - Конспек т по теме 3 - 2 4 6 2 Ответ на практиче ском занятии 4. Коллекции ботанических садов, их теоретическое и прикладное значение 4 - 2 4 6 2 Ответ на практиче ском занятии 5. Типы банков в соответствии с классификацией Международного центра 5,6 2 2 4 8 2 Конспек т по теме, ответ на практиче ском занятии 6. Стратегии сохранения генетических ресурсов растений in situ и ex situ 7 2 - 4 6 - Устный опрос 3. Формы контроля Самостоятельная работа 1 1. Тема недели семестра Практические занятия Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. Лекции № 9 Устный опрос 7. 8. 9. 10. 11. 12. Криосохранение как способ долгосрочного хранения биологического материала. Технология хранения растительного материала in vitro Живые коллекции растений 8 2 - 4 6 - Устный опрос 9 2 - 4 6 - 10 - 2 2 4 2 Информационные технологии в управлении и оценке генетических ресурсов растений Размножение, сохранение жизнеспособности и подлинности образцов 11 2 - 4 6 - Устный опрос Дискуссия Устный ответ 12 - 2 2 4 2 Ответ на практиче ском занятии Организация и методика изучения растений в коллекциях: 11.1. общая схема изучения образцов; 11.2. методика оценок и учетов в полевых и лабораторных исследованиях; 11.3. заполнение полевых и лабораторных журналов; 11.4. составление научных отчетов Итого: Из них в интерактивной форме: 13, 14 - 4 8 12 4 Контрол ьная работа по всему материа лу 14 14 44 72 14 14 Таблица 2. № 1. 2. 3. 4. 5. Планирование самостоятельной работы Темы Виды СРС обязательные дополнительные Подготовка к опросу Биологическое разнообразие Чтение и растений и причины его обязательной дополнительной утраты литературы Понятие о генетическом банке. Концепция Н.И. Вавилова о концепциях генетических банков Ботанические сады – основа системы сохранения генетических ресурсов Коллекции ботанических садов, их теоретическое и прикладное значение Типы банков в соответствии с классификацией Международного центра 6. Стратегии сохранения генетических ресурсов растений in situ и ex situ 7. Криосохранение как способ долгосрочного хранения биологического материала. 8. Технология хранения растительного материала in vitro 9. Живые коллекции растений 10. Информационные технологии в управлении и оценке генетических ресурсов растений Размножение, сохранение жизнеспособности и подлинности образцов Организация и методика изучения растений в коллекциях: 11. 12. 4 Чтение обязательной и дополнительной литературы Составление конспекта по предложенной теме 2 Выполнение практической работы Чтение обязательной и дополнительной литературы 2 Выполнение практической работы Чтение обязательной и дополнительной литературы 4 Составление конспекта по предложенной теме, подготовка к опросу Подготовка к опросу 4 Подготовка к опросу 4 Подготовка к опросу 4 Чтение обязательной дополнительной литературы Чтение обязательной дополнительной литературы Чтение обязательной дополнительной литературы Чтение обязательной дополнительной литературы Чтение обязательной дополнительной литературы Чтение обязательной дополнительной литературы и и и и 2 Чтение обязательной и дополнительной литературы 4 Выполнение практической работы Чтение обязательной и дополнительной литературы 2 Выполнение практической работы Чтение обязательной и дополнительной литературы 8 и Подготовка дискуссии 4 к и 12.1. общая схема изучения образцов; 12.2. методика оценок и учетов в полевых и лабораторных исследованиях; 12.3. заполнение полевых и лабораторных журналов; 12.4. составление научных отчетов Контрольная работа Объем часов Выполнение контрольной работы № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами Наименование Темы дисциплины необходимых для изучения обеспечиваемых обеспечиваемых (последующих) дисциплин (последующих) 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 дисциплин + + + + + + + + + Современные технологии изучения и сохранения генетических ресурсов + + + Биотехнология в селекции растений + Способы размножения растений in vitro + + Генетическая инженерия растений + + + + + Происхождение и география культурных растений Примечание: номера тем соответствуют названиям, приведенным в таблице 1. 5. Содержание дисциплины. Лекция 1. Биологическое разнообразие растений и причины его утраты. Понятие о биоразнообразии. Потеря биологического разнообразия, как одна из главных угроз в отношении окружающей среды и устойчивого развития. Генетическая эрозия растительного биоразнообразия. Причины утраты генетического разнообразия (Сорта, вредители, сорняки, болезни, урбанизация и др.). Лекция 2. Понятие о генетическом банке. Концепция Н.И. Вавилова о концепциях генетических банков. Генетические банки, их роль в решении проблемы формирования, сохранения и использования растительных ресурсов. Государственный научный центр РФ ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова как держатель и хранитель коллекции генетических ресурсов культурных растений и их диких родичей. Структура ГНЦ РФ ВИР. Вавиловская концепция познания генетического разнообразия растений на современном этапе. Лекция 3. Типы банков в соответствии с классификацией Международного центра. Классификация Международного центра: 1) генетические банки семян; 2) банки растительного материала, сохраняемые in vitro; 3) полевые генные банки. Принципы формирования банков, их назначение. Лекция 4. Стратегии сохранения генетических ресурсов растений in situ и ex situ. Статичная. Динамичная. Ex situ сохранение: особенности, обеспечение доступного воспроизводства материала, в том числе редких и исчезающих видов растений. In situ сохранение: особенности, обеспечение непрерывной адаптации и эволюции видов растений. Лекция 5. Криосохранение как способ долгосрочного хранения биологического материала. Условия хранения. Технология хранения вегетативно размножаемых видов растений и видов растений, производящих эволюционноконсервативные семена. Низкотемпературная консервация в жидком азоте, и факторы, влияющие на этот процесс. Криопротекторы и их значение в снижении повреждающего действия химических факторов при криоконсервации. Программы охлаждения. Определение жизнеспособности клеток после размораживания. Хранение генетических ресурсов растений in vitro. Биокриокомплексы. Лекция 6. Технология хранения растительного материала in vitro. Особенности хранения in vitro при замедлении ростовых процессов. Факторы, снижающие рост (температура, интенсивность света, питательные элементы, уровень кислорода и др.). Поддержание генетической чистоты при хранении in vitro. Хранение асептических растений. Лекция 7. Информационные технологии в управлении и оценке генетических ресурсов растений. Создание компьютерной системы коллекционного фонда растений. База исходных и расчетных данных. Создание паспортных и оценочных баз данных по результатам эколого-географического и лабораторного изучения. 6. Планы семинарских занятий. Занятие 1. Ботанические сады – основа системы сохранения генетических ресурсов. Задачи ботанических садов. Принципы сохранения природной флоры. Роль ботанических садов при высших учебных заведениях. Теоретические и прикладные аспекты формирования коллекций ботанических садов. Занятие 2.Типы банков в соответствии с классификацией Международного центра. Необходимость создания генетических банков, эффективность их использования. Методы и способы сохранения генетических ресурсов растений в Тюменском опорном пункте ВНИР им. Н.И. Вавилова. Описание коллекционного фонда, хранящегося в банках семян и полевых банках. Занятие 3. Коллекции ботанических садов, их теоретическое и прикладное значение. Тематические коллекции: древесных растений, декоративных травянистых многолетников и летников, лекарственных растений, отдельных таксонов и др. Систематические коллекции. Коллекции открытого и закрытого грунта. Оранжерейные коллекции (специализированные: хвойные, кактусы, суккуленты и др.). Занятие 4. Живые коллекции растений. Поддержание генетического разнообразия растений в живых коллекциях. Технология формирования и содержания коллекционного фонда. Основные требования к выращиванию растений. Учеты основных признаков, фенологические наблюдения. Достоинства и недостатки. Занятие 5. Размножение, сохранение жизнеспособности и подлинности образцов. Базовая коллекция. Дублетные коллекции. Рабочая коллекция. Питомники восстановления всхожести и размножения семян. Методы идентификации образцов растений. Скрининг генофонда основных культивируемых видов растений на устойчивость к инфекционным болезням и вредителям. Занятие 6,7. Организация и методика изучения растений в коллекциях. Общая схема составления коллекций и этапы изучения. Методика оценок в полевых и лабораторных исследованиях. Работа с документацией. Составление и представление научных отчетов. Требования к содержанию и оформлению. 7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. Самостоятельная работа магистров программы «Биотехнология» по направления дисциплине «Биология», «Концепции магистерской генетических банков растительных ресурсов» включает следующие виды учебной деятельности: чтение обязательной и дополнительной литературы, подготовка к семинарскому (практическому) занятию, подготовка и выполнение контрольной работы, подготовка и защита конспектов по предложенной теме с презентацией, выполнение НИРС по выбранной теме. На контрольную работу отводится не менее 1,0 часа. Контрольная работа состоит из средних по трудоемкости вопросов, различных типов тестов или заданий, требующих поиска обоснованного развернутого ответа. Контрольные вопросы: 1. Проблемы формирования, сохранения и использования генетических банков растений.. 2. Генетическая эрозия биоразнообразия растений. 3. Роль ботанических садов в сохранении генетических ресурсов природной флоры. 4. Методы хранения коллекционных образцов, проблема поддержания жизнеспособности. 5. Хранение растительного материала при низких и ультранизких температурах, криосохранение. 6. Генетические банки семян. 7. Полевые банки генетических ресурсов. 8. Хранение биологического материала in vitro. 9. Скрининг коллекций по устойчивости к фитопатогенным грибам. Методы оценки. 10. Основы формирования коллекций. Выполнение научно-исследовательской работы магистра проводится в группах из трех-четырех человек с помощью изученных теоретических основ и современных методов. При выполнении НИРС можно контролировать следующие компетенции: способность работать самостоятельно и в команде, способность организовать работу исполнителей, способность понимать и анализировать полученные данные и др. Примерные темы НИРС: 1. Описание банка семян мягкой яровой пшеницы (или гороха, ячменя, озимой пшеницы, овса) из мировой коллекции ВИР по морфологическим признакам. 2. Анализ коллекционного фонда культурных растений кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры ТюмГУ по происхождению. 3. Создание описательной и оценочной баз данных для видов, сортов и селекционных линий растений. 4. Характеристика гербарного фонда культурных растений кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры. 5. Характеристика по основным параметрам холодильного оборудования и технология длительного низкотемпературного хранения растительных организмов. 6. Описание коллекционного фонда лекарственных растений, созданного на кафедре ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры ТюмГУ. Зачет служит формой проверки качества усвоения учебного материала лекционных и практических занятий, а также иных видов учебной деятельности студентов в соответствии с учебной программой. Вопросы к зачету. 1. Биоразнообразие растений. Причины утраты биоразнообразия. 2. Генетическая эрозия и причины ее появления. 3. Ботанические сады Российской Федерации, их функции. 4. Какие вы знаете коллекции, создаваемые в ботанических садах? 5. Функции и тематика оранжерейных коллекций. 6. Приведите конкретные примеры тематических коллекций и экспозиций ботанических садов. 7. Роль Н.И. в создании концепции генетических банков. 8. Основные направления работы Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова. 9. Формирование генетических банков семян. Эффективность семенных банков. 10. Крупнейшие генетические банки растительных ресурсов в мире. 11. Приведите примеры полевых банков, дайте характеристику, назовите достоинства и недостатки. 12. Как можно обеспечить замедление ростовых процессов биологического материала при хранении in vitro. 13. Достоинства и недостатки In situ сохранения. 14. Причины снижения всхожести семян при хранении. 15. Методы восстановления всхожести семенных коллекций. 16. В чем заключается сущность криосохранения? 17. Особенности замораживания почек стебля и меристем, культуры клеток, тканей и протопластов? 18. Этапы криосохранения. 19. Криопротекторы. Приведите примеры и опишите роль криопротекторов в технологии криосохранения. 20. Определение жизнеспособности клеток после криосохранения. 21. Факторы, влияющие на процесс сохранения растительного материала в жидком азоте. 22. Назначение и принципы работы биокриокомплексов. 23. Хранение семян растений с использованием естественного холода вечномерзлых горных пород. 24. Охарактеризуйте информационные технологии, применяемые при изучении генетических ресурсов. 25. Как проводят создание баз данных по результатам полевого и лабораторного изучения образцов растений? 26. Методы сохранения подлинности семян. 27. В чем различие между базовой, дублетной и рабочей коллекциями? 28. Назовите основные питомники, в которых проводится оценка коллекционных образцов. 29. Что понимают под комплексностью изучения генетических ресурсов растений? 30. Почему целесообразно проведение полевой и лабораторной оценок материала? 31. Типы документации. Требования, предъявляемые к ее ведению. 8. Образовательные технологии. При реализации различных видов учебной работы во время изучения дисциплины «Концепции генетических банков растительных ресурсов» используются различные образовательные технологии: лекции и практические занятия, отражающие основные разделы изучаемого курса и НИРС. Отдельное внимание уделяется интерактивным формам занятий. В интерактивной форме (работа в малых группах) проводится бóльшая часть практических занятий. Для развития навыков самостоятельной научно-исследовательской работы, способностей выполнять экспериментальную работу, обобщать и анализировать полученные данные предлагается НИРС по одной из приведенных тем. Для текущего контроля знаний магистрантов используются контрольные работы в конце освоения дисциплины, предложены вопросы к зачету. 9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины. 9.1. Основная литература: 1. Боме Н.А., Белозерова А.А., Боме А.Я. Биологические свойства семян и феногенетический анализ культурных растений. Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальности 020201 – Биология. Тюмень: Изд-во ТюмГУ. 2007. 80 с. 2. Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы. Тезисы докладов II Вавиловской международной конференции, СПб., 2007. 693 с. 3. Гулинова Н.В. Методы агроклиматической обработки наблюдений. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 150 с. 4. Дюбин В.Н. Системный подход к разработке агроэкологического паспорта селекцентра /Под ред. В.А. Драгавцева. СПб: ВИР, 2004. 99 с. 5. Жуковский П.М. Культурные растения и их сородичи. Л.: Колос. 1971. 750 с. 6. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений. Кишинев: Штиинца, 1980. 587 с. 7. Жученко А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (экологогенетические основы). Кишинев. 1988. 8. Жученко А.А. Мобилизация мировых генетических ресурсов и средоулучшающие фитотехнологии. Изд-во Российского университета Дружбы народов, 2007. 168 с. 9. Конарев А.В. Белки растений как генетические маркеры. М.: Колос, 1983. 320 с. 10. Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб.: ВИР. 2001. 417 с. 11. Лоскутов И.Г. История мировой коллекции генетических ресурсов растений в России. СПб: ГНЦ РФ ВИР, 2009. 274 с. 12. Пополнение, сохранение в живом виде и изучение мировой коллекции пшеницы, эгилопса и тритикале. Методические указания. /Под ред. А.Ф. Мережко. СПб.: ВИР. 1999. 82 с. 9.2. Дополнительная литература: 1. Акпаров З.И., Мамедов А.Т. Информационная система по генетическим ресурсам растений Азербайджана // Современные проблемы науки и образования. – 2007. №6. С. 9-13. URL: www.science-education.ru/23-706 (дата обращения: 01.07.2011). 2. Алексанян С.М. Агробиоразнообразие и геополитика. СПб. ВИР. 2002. 362 с. 3. Алексанян С.М. Государство и биоресурсы. СПб. ВИР., 2003.180 с. 4. Атанасов А.В. Биотехнология в растениеводстве /Под ред. Л.Д. Колосовой, Е.В. Дейнеко. Новосибирск, 1993. 241 с. 5. Конарев А.В. Использование молекулярных маркеров в работе с генетическими ресурсами растений. Сельскохозяйственная биология, 1998, №5. С. 3-25. 6. Мировой агро-климатический справочник. Под ред. Г.Т. Селянинова. М.-Л. Гидрометеоиздат, 1937, 419 с. 7. Пакина А.А. ботанических садов Проблемы и перспективы экологического мониторинга и дендрологических парков /А.А. Пакина //Методические рекомендации по экологическому мониторингу недвижимых объектов культурного наследия. М., 2001. С. 62-68. 8. Труды по прикладной ботанике, генетике, селекции /Периодические сборники научных трудов ГНЦ РФ ВИР. 9. Ульянова Т.Н. Сорные растения во флоре России и сопредельных государств. Барнаул «Азбука». 2005. 297 с. 10. Устойчивость генетических ресурсов зерновых культур к вредным организмам. Методическое пособие. М. 2008., 416 с. 11. Филиппенко Г.И. Развитие системы низкотемпературного хранения и криоконсервации генофонда растений в ВИР им. Н.И. Вавилова //Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. Т.164. СПб. ВИР. 2007. с. 263-272. 9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы: 1. http://elibrary.ru – Научная электронная библиотека 2. www.vir.nw.ru/index_r.htm - ГНЦ РФ Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова. 3. mailto:[email protected] Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева. 4. http://www.jcbi.ru/eco1/index.shtml - Объединенный центр вычислительной биологии и биоинформатики, база данных «Флора сосудистых растений Центральной России». 5. www.fao.org/nr/cgrfa - ФАО. 10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины Лекции по дисциплине «Концепции генетических банков растительных ресурсов» читаются в аудитории кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, имеют мультимедийное сопровождение. Имеется учебный гербарий культурных растений и микологический гербарий, семенной фонд коллекционных образцов, холодильные камеры для низкотемпературного хранения семян. Для выполнения НИРС на кафедре имеется лаборатория битехнологических и микробиологических исследований и лаборатория микробно-растительных оборудованием. взаимодействий, оснащенные современным